西寧盆地兩種灌木植物原位拉拔試驗(yàn)及其護(hù)坡效應(yīng)

李臻，余芹芹，楊占風(fēng)，喬 娜，李國(guó)榮，朱海麗，張 瑩，毛小青，胡夏嵩

(青海大學(xué)地質(zhì)工程系，西寧810016)

隨著我國(guó)西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，交通、水電等工程建設(shè)的增多，大量的邊坡開(kāi)挖造成了植被的破壞和邊坡的失穩(wěn)，生態(tài)壞境更加惡化。如何使基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展則是一項(xiàng)重要的任務(wù)[1]。西寧作為青海省會(huì)城市，近年來(lái)隨城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，如何科學(xué)合理地保護(hù)城市地質(zhì)環(huán)境，防治滑坡、崩塌、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生是一項(xiàng)重要任務(wù)，也是實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)工程建設(shè)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的需要。植被已廣泛應(yīng)用于邊坡防護(hù)中，植被一方面能起到減小或阻止坡面水土流失現(xiàn)象[2]，另一方面能夠提高坡體的抗剪強(qiáng)度[3-4]，從而提高邊坡的穩(wěn)定性。國(guó)內(nèi)外學(xué)者從植物單根拉伸、剪切試驗(yàn)[5-7]，根-土復(fù)合體抗剪強(qiáng)度[8-11]，根系加強(qiáng)土體強(qiáng)度數(shù)值模擬[12-14]等方面進(jìn)行了大量的研究。

本文通過(guò)對(duì)種植在試驗(yàn)區(qū)兩種灌木植物地上、地下生長(zhǎng)指標(biāo)的對(duì)比以及現(xiàn)場(chǎng)原位拉拔試驗(yàn)研究，來(lái)評(píng)價(jià)試驗(yàn)區(qū)灌木根系對(duì)邊坡土體穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)。

1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

西寧盆地地處青海東部湟水河流域河谷，降水量少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，具有典型的高原大陸性氣候[15]。多年平均降雨量為350 mm，蒸發(fā)量為1 235.6 mm[16]。試驗(yàn)區(qū)地質(zhì)地理?xiàng)l件復(fù)雜，人口集中且周邊居民經(jīng)濟(jì)活動(dòng)頻繁。每逢雨季暴雨季節(jié)，易誘發(fā)滑坡、崩塌、泥石流等不同規(guī)模的地質(zhì)災(zāi)害，給研究區(qū)及其周邊居民的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了一定威脅[8]。試驗(yàn)區(qū)設(shè)在西寧城北二十里鋪青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，種植灌木植物坡體坡度約30°，屬于人工堆積的土質(zhì)邊坡，坡向?qū)侔腙幇腙?yáng)[15]。

2 試驗(yàn)材料和方法

2.1 試驗(yàn)材料選取

根據(jù)試驗(yàn)區(qū)氣候條件和適合當(dāng)?shù)貧夂驐l件的灌木植物分布類(lèi)型，篩選出檸條錦雞兒(Caragana korshinskii)、霸王(Zygophyllum xanthoxy lon)2 種灌木作為試驗(yàn)供試種。這兩種灌木植物具有多年生，矮叢生，抗逆性強(qiáng)，抗寒旱，耐鹽漬，根系發(fā)達(dá)且其地下生長(zhǎng)強(qiáng)度大，吸收土壤深層水分能力強(qiáng)等特性。

2.2 試驗(yàn)方法

根據(jù)該項(xiàng)研究需要，設(shè)有2個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，試驗(yàn)種植區(qū)面積尺寸均為1 m×1 m。供試種于2007年6月以穴播方式種植，穴距為5 cm，播種深度為1～2 cm。

試驗(yàn)期間分別于2008年6月和2009年6月對(duì)種植在試驗(yàn)區(qū)的2種灌木株高等地上生長(zhǎng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)進(jìn)行了野外現(xiàn)場(chǎng)根系拉拔試驗(yàn)，測(cè)定出了2種灌木最大抗拔力，并測(cè)量了其對(duì)應(yīng)的最大根長(zhǎng)、最大根徑，統(tǒng)計(jì)側(cè)根數(shù)。拉拔試驗(yàn)步驟如下:在試驗(yàn)區(qū)內(nèi)選擇生長(zhǎng)正常的檸條錦雞兒和霸王兩種灌木植物，將其灌木地上部分夾持在傳感器下端的夾具上，然后通過(guò)傳感器對(duì)灌木施加拉力，直至整株灌木被拔出，通過(guò)傳感器由試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集顯示儀顯示得出抗拔力值。

3 結(jié)果與分析

3.1 灌木植物不同生長(zhǎng)期生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)比

試驗(yàn)區(qū)2種灌木其地上、地下部分基本生長(zhǎng)指標(biāo)及其隨年度間的變化情況如表1所示。

由表1可看出，生長(zhǎng)2 a的檸條錦雞兒比生長(zhǎng)1 a的株高增高6.04 cm，根長(zhǎng)增加3.98 cm，根徑增加0.86 mm，側(cè)根數(shù)增加11個(gè);生長(zhǎng)2 a的霸王比生長(zhǎng)1 a的株高增高17.5 cm，根長(zhǎng)增加3.99 cm，根徑增加2.56 mm，側(cè)根數(shù)增加6個(gè)。

表1 試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒和霸王生長(zhǎng)指標(biāo)測(cè)量結(jié)果

試驗(yàn)區(qū)其灌木可視為上置的懸臂梁，如圖1所示。AB等同于灌木植物的地上部分，A以下為固定在地下的灌木植物根系部分。當(dāng)灌木受到水平方向的水平風(fēng)力Fi時(shí)，在A點(diǎn)處產(chǎn)生彎矩M。當(dāng)合力∑Fi大于含根土體的抗剪力Fk時(shí)，邊坡土體便會(huì)發(fā)生剪切破壞。當(dāng)彎矩M大于土體的抗彎矩Mk時(shí)，灌木會(huì)發(fā)生傾覆，帶動(dòng)土體發(fā)生變形位移。其中，當(dāng)風(fēng)的強(qiáng)度一定時(shí)，株高AB越高，∑Fi和M 就越大，含根土體越易發(fā)生剪切破壞和傾覆，這將不利于邊坡的穩(wěn)定。由表1可知，生長(zhǎng)1 a的檸條錦雞兒的平均株高與同生長(zhǎng)期霸王的平均株高相近，生長(zhǎng)2 a的檸條錦雞兒的平均株高比霸王小11.87 cm，存在顯著的差異。因此從株高考慮，試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒相對(duì)于霸王其護(hù)坡作用較為顯著。

圖1 試驗(yàn)區(qū)灌木植物受風(fēng)力作用時(shí)力學(xué)示意圖

根系-土壤的相互作用，能夠增加土體抗剪強(qiáng)度[17-18]。試驗(yàn)區(qū)2種灌木種根長(zhǎng)愈長(zhǎng)，側(cè)根數(shù)愈多，則根-土相互作用就愈顯著，含根土體抗剪強(qiáng)度也就愈大，從而有利于邊坡穩(wěn)定。由表1可知，相同生長(zhǎng)期的檸條錦雞兒最大根長(zhǎng)較霸王長(zhǎng)約9 cm;生長(zhǎng)期為1 a的檸條錦雞兒的側(cè)根數(shù)與相同生長(zhǎng)期霸王的側(cè)根數(shù)相近，而生長(zhǎng)期為2 a的檸條錦雞兒的側(cè)根數(shù)較霸王多4個(gè)，存在較顯著的差異。因此從最大根長(zhǎng)與側(cè)根數(shù)考慮，試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒相對(duì)于霸王其護(hù)坡作用相對(duì)顯著。

根系的抗拉強(qiáng)度隨根徑的增大而減小[19]。根徑愈小，根系抗拉強(qiáng)度愈大，則其固坡效果相對(duì)愈顯著。由表1可知，相同生長(zhǎng)期的檸條錦雞兒最大根徑較霸王小約3～5 mm。因此從根徑考慮，試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒相對(duì)于霸王其護(hù)坡作用顯著。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物生長(zhǎng)指標(biāo)等綜合因素考慮，試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒較霸王護(hù)坡效果相對(duì)顯著。

試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物地上、地下生長(zhǎng)指標(biāo)隨生長(zhǎng)期變化關(guān)系如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒生長(zhǎng)指標(biāo)

由圖2可知，隨著生長(zhǎng)期的增加，檸條錦雞兒和霸王的株高、根長(zhǎng)、根徑、側(cè)根數(shù)都呈增加趨勢(shì)，其中株高和側(cè)根數(shù)相對(duì)增加明顯，根長(zhǎng)和根徑變化不明顯。

3.2 拔出力與生長(zhǎng)期之間的關(guān)系

試驗(yàn)區(qū)土體的基本物理性質(zhì)指標(biāo)為土體平均密度為1.65 g/cm3，土體平均孔隙度為54.0%，土體平均含水率為20.1%，土體類(lèi)型為粉土。野外原位拉拔試驗(yàn)得出，試驗(yàn)區(qū)生長(zhǎng)期為1 a的檸條錦雞兒平均拔出力為64.97 N，生長(zhǎng)期為2 a的為139.49 N;生長(zhǎng)期為1 a的霸王平均拔出力為94.69 N，生長(zhǎng)期為2 a的為160.11 N。試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物拔出力與其生長(zhǎng)時(shí)間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3可知，隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，霸王和檸條錦雞兒的拔出力都呈顯著增大趨勢(shì)。生長(zhǎng)期為1 a和2 a的霸王其拔出力均大于同生長(zhǎng)期的檸條錦雞兒的拔出力。研究表明，拔出力受根系構(gòu)型、受力單根的極限抗拉力及作用根系數(shù)量的影響[18]。由于試驗(yàn)區(qū)生長(zhǎng)期1～2 a的檸條錦雞兒和霸王兩種灌木，其根系構(gòu)型分屬深根主直根型和淺根主直根型，故霸王在其生長(zhǎng)過(guò)程中較檸條錦雞兒根系吸收坡體淺層土體水分的能力相對(duì)顯著，除了形成具有較發(fā)達(dá)的主直根系外，其水平方向側(cè)根系亦相對(duì)于檸條錦雞兒發(fā)達(dá)。在試驗(yàn)區(qū)通過(guò)對(duì)上述兩種灌木根系生長(zhǎng)剖面觀察，霸王的側(cè)根和毛細(xì)根數(shù)量和發(fā)育程度等相對(duì)于檸條錦雞兒顯著。因此在試驗(yàn)區(qū)坡體含水量一定的條件下，試驗(yàn)得到的霸王根系拔出力相對(duì)檸條錦雞兒略大。根系拔出力的大小反映了根-土相互作用的強(qiáng)度，因此拔出力愈大，其根系愈有利于邊坡土體的穩(wěn)定性，因此試驗(yàn)區(qū)霸王較檸條錦雞兒其護(hù)坡作用顯著。

圖3 試驗(yàn)區(qū)2種灌木不同生長(zhǎng)期拔出力試驗(yàn)結(jié)果

3.3 拔出力與生長(zhǎng)指標(biāo)之間的關(guān)系

試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物拔出力與各相應(yīng)生長(zhǎng)指標(biāo)之間的關(guān)系如表2所示。檸條錦雞兒的拔出力與株高、根長(zhǎng)呈指數(shù)關(guān)系而與根徑、側(cè)根數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，霸王拔出力與根長(zhǎng)、根徑、側(cè)根數(shù)均呈線(xiàn)性關(guān)系而與株高呈指數(shù)關(guān)系;2種灌木拔出力均與株高呈指數(shù)關(guān)系，與根徑、側(cè)根數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，與根長(zhǎng)呈指數(shù)或線(xiàn)性關(guān)系。其中生長(zhǎng)期為2 a的2種灌木拔出力與各生長(zhǎng)指標(biāo)間的關(guān)系曲線(xiàn)如圖4-7所示。由圖可知，生長(zhǎng)期為2 a的霸王、檸條錦雞兒拔出力均隨株高、根長(zhǎng)、根徑和側(cè)根數(shù)的增加而呈增大趨勢(shì)，且其拔出力與株高、根長(zhǎng)、根徑、側(cè)根數(shù)間的關(guān)系符合線(xiàn)性或指數(shù)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.81以上。

圖4 試驗(yàn)區(qū)兩種灌木拔出力與株高關(guān)系

圖5 試驗(yàn)區(qū)兩種灌木拔出力與根長(zhǎng)關(guān)系

圖6 試驗(yàn)區(qū)兩種灌木拔出力與根徑關(guān)系

圖7 試驗(yàn)區(qū)兩種灌木拔出力與側(cè)根數(shù)關(guān)系

表2 試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物拔出力與各相應(yīng)生長(zhǎng)指標(biāo)之間關(guān)系

4 結(jié)論

(1)隨著生長(zhǎng)期的增加，試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒和霸王2種灌木其株高、根長(zhǎng)、根徑、側(cè)根數(shù)均呈顯著增加趨勢(shì)，其中株高和側(cè)根數(shù)相對(duì)根長(zhǎng)和根徑增加明顯。因此從株高、根長(zhǎng)、側(cè)根數(shù)、根徑考慮，試驗(yàn)區(qū)檸條錦雞兒較霸王護(hù)坡效果相對(duì)顯著。

(2)隨著生長(zhǎng)時(shí)間的增加，試驗(yàn)區(qū)霸王和檸條錦雞兒的拔出力均顯著增大，生長(zhǎng)期為1 a和2 a的霸王拔出力均大于相同生長(zhǎng)期檸條錦雞兒的拔出力，但存在的差異不顯著。故從拔出力大小考慮，試驗(yàn)區(qū)霸王相對(duì)于檸條錦雞兒其護(hù)坡力學(xué)效果相對(duì)顯著。

(3)檸條錦雞兒的拔出力與株高、根長(zhǎng)呈指數(shù)關(guān)系而與根徑、側(cè)根數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，霸王拔出力與根長(zhǎng)、根徑、側(cè)根數(shù)均呈線(xiàn)性關(guān)系而與株高呈指數(shù)關(guān)系;2種灌木拔出力均與株高呈指數(shù)關(guān)系，與根徑、側(cè)根數(shù)呈線(xiàn)性關(guān)系，與根長(zhǎng)呈指數(shù)或線(xiàn)性關(guān)系。生長(zhǎng)期為2 a的霸王、檸條錦雞兒拔出力均隨株高、根長(zhǎng)、根徑和側(cè)根數(shù)的增加而呈增大趨勢(shì)，且其拔出力與株高、根長(zhǎng)、根徑、側(cè)根數(shù)間的關(guān)系符合線(xiàn)性或指數(shù)關(guān)系。

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